基于周期性极化铌酸锂的全光逻辑门研究

摘要

随着信息时代的来临,通信业务类型日益丰富,使网络的数据流量以“摩尔定律”的趋势不断增长,导致了“电子瓶颈”的出现。为了避免在未来高速光网络中出现“电子瓶颈”,全光信号处理成为唯一的解决办法,而全光逻辑门作为其中的关键器件,近年来受到越来越多的关注。周期性极化铌酸锂(PPLN)由于具有超快的反应速度、极低的噪声影响和极大的使用灵活性等特点而成为研制高速全光逻辑器件的热点。
　　本文研究的是在掺镁的周期性极化铌酸锂(MgO: PPLN)中,利用准位相匹配技术(Q P M)形成的倍频(SHG)、和频(SFG)、差频(DFG)和级联效应实现基于强度的全光逻辑门器件。此外,利用电光效应及偏振分束镜(PBS)实现了偏振相关的全光逻辑门器件,为进一步的全光计算奠定了基础。具体的工作如下:
　　1.在MgO: PPLN中,我们推导并研究了其二阶非线性特性,包括SHG、SFG、DFG、级联倍频差频(cSHG/DFG)和级联和频差频(cSFG/DFG)等二阶和级联二阶非线性效应。利用一个MgO:PPLN波导中形成的I型QPM下的cSHG/DFG、cSFG/DFG,另一个M gO: PPLN波导中形成的0型Q P M下的SFG,理论上研究并模拟了40Gbit/s的归零(R Z)输入信号下的与(AND)门、或非(NOR)门和同或(XNOR)门并进行了讨论。
　　2.基于PPLN的电光效应并利用PBS的作用,提出了一种基于偏振态编码的二进制全光逻辑处理方案并进行实验验证。在该实验方案中,我们将两种相互正交的偏振态来分别表示光信号的逻辑0和逻辑1。当某一偏振态的光信号通过PBS后,其只能选择其中的一条通道到达检测端。一条通道直接与检测端相连,而另一条通过则要通过MgO: PPLN晶体。当光信号通过PPLN时,其偏振方向在一定外电场的作用下,将旋转90°,从而实现偏振态的相互转化。如果不施加任何任何外场,则偏振态将不发生任何变化。当把电场信号作为信号2时,并以电平信号来表示逻辑0和逻辑1,则信号1和信号2可以有效地AND门和O R门的逻辑功能。由于偏振编码方案对于光信号的消耗可以忽略,在级联实验中具有较大的应用价值,从而可以演示繁杂的逻辑运算。

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第一章绪论

1 .1本课题的研究意义

1 .2全光逻辑门的应用

1 .3全光逻辑门的实现方案及研究现状

1 .4本文章节安排

参 考 文 献

第二章二阶非线性波长转换理论

2.1 二阶非线性过程

2 .2准相位匹配技术

2 .3超短脉冲传播

2 .4本章小结

参 考 文 献

第三章基于非线性效应的强度编码全光逻辑门

3.1 PPLN的二阶非线性特性

3 .2全光逻辑门的实现

3 .3本章小结

参 考 文 献

第四章电光效应

4 .1横向电光效应

4 .2偏振耦合理论

4 .3本章小结

参 考 文 献

第五章基于偏振编码的全光逻辑门研究

5 .1线偏振态的电光调控

5 .2偏振态转换的实现及编码方案

5 .3全光逻辑与门和或门的实现

5 .4其他逻辑门的实现及初步的全光逻辑运算方案

5.5 本章小结

参 考 文 献

第六章总结与展望

6 .1本文工作总结

6 .2未来工作展望

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文